1.3.4. Нейтроны и процессы их взаимодействия с горными породами

Нейтроны не имеют заряда и поэтому не испытывают электрического воздействия электронов и ядер и проникают достаточно глубоко в породу. Их взаимодействие с горной породой зависит от энергии. Различают нейтроны: тепловые (Е_п<1эВ), промежуточные (1эВ<Е_п<0,1 МэВ) и быстрые (Е_п>0,1 МэВ). Такие названия для нейтронов с различной энергией обусловлены тем, что в отличие от гамма-квантов, движущихся всегда с постоянной скоростью, скорость движения нейтронов пропорциональна их энергии. Если в результате взаимодействия с породой энергия теряется, то нейтрон превращается в обычную частицу, испытывающую тепловое хаотичное движение. При комнатной температуре энергия теплового нейтрона равна приближенно 0,025 эВ.

Нейтроны, как и гамма-кванты, испытывают в породе рассеяние и поглощение. Отличие заключается в том, что взаимодействует нейтрон исключительно с ядрами, при рассеянии нейтрон не только изменяет направление движения и теряет свою энергию, но и замедляется, а при поглощении не исчезает, а входит в состав ядра, поэтому процесс поглощения ядром нейтрона ещё называют захватом.

Рассеяние нейтрона может быть упругим и неупругим. Упругое рассеяние аналогично столкновению двух идеально упругих шариков, при котором ядру передается часть энергии нейтрона.

Потеря энергии нейтрона (а значит, и его замедление) зависит от массы ядра М и угла рассеяния нейтрона . Характеризует её так называемый параметр замедления, равный логарифмической потере энергии на одно соударение. При изотропном рассеянии параметр замедления , имеет выражение

,

(1.25)

где ;

Е₀, Е – энергия нейтрона до соударения с ядром массы М и после соударения.

Как видим из формулы (1.25), наибольшие потери энергии нейтронов происходят при соударении с легкими ядрами, а максимально возможная потеря – при взаимодействии нейтрона с ядром водорода, равным ему по массе. При лобовом соударении нейтрона с водородом возможна полная потеря его энергии. В то же время соответствующие значения для кислорода (М=16) и кремния (М=28) составляют 11 и 6 %.

При неупругом рассеянии энергия нейтронов расходуется не только на придание кинетической энергии ядру, но и на его возбуждение, т. е. увеличение его внутренней энергии. Энергия возбужденного ядра в последующем высвобождается в виде гамма-квантов. Поскольку у каждого ядра энергии возбужденных уровней свои, то излучаемый возбужденными ядрами спектр гамма-излучения будет индивидуален для каждого вида ядер и может быть использован для определения элементов в горной породе. Неупругое рассеяние может произойти только с нейтронами, энергия которых превышает энергию первого возбужденного уровня ядра, которая изменяется от нескольких мегаэлектронвольт для легких ядер до 100 кэВ – для тяжелых. Поэтому неупругое рассеяние характерно для быстрых нейтронов и сред с тяжелыми ядрами.

Быстрые нейтроны в результате упругих и частично неупругих соударений замедляются и в области низких энергий могут поглотиться ядрами. В результате радиационного захвата тепловых нейтронов ядром возникает вторичное гамма-излучение. Сечение захвата, как и вообще сечение взаимодействия, убывает с увеличением энергии нейтрона; в области промежуточных нейтронов  имеет резонансные пики (рис. 1.6).

Сечение захвата зависит также от строения ядер элементов, от степени «недостаточности» в их составе нейтрона. Из рис. 1.6 видно, что кадмий отличается максимальным сечением захвата в сравнении с бором, индием, серебром и литием. Но все эти элементы аномально поглощают нейтроны, о чем говорят значения сечений захвата (рис. 1.6, табл. 1.8). Для сравнения типичные элементы горных пород О, Si, A1, Mg имеют соответственно сечения в барнах: 0,0002; 0,16; 0,241 и 0,063. Наибольшее сечение захвата 3 барна из породообразующих элементов имеет железо (табл. 1.8).

Рис. 1.6 – Сечения взаимодействия нейтронов с ядрами элементов

Таблица 1.8 – Элементы горных пород – аномальные поглотители

тепловых нейтронов

Элемент	Сечение захвата, барн	Содержание в земной коре, %	Элемент	Сечение захвата, барн	Содержание в земной коре, %
Gd	49000	810-4	Re	88	710-8
Sm	5800	810-4	Li	71	3,210-3
Eu	4600	1,310-4	Ag	64	710-6
Cd	2450	1,310-5	Co	37	1,810-3
В	754	1,210-3	CI	33	1,710-2
Hg	375	8,310-6	Та	21	2,510-4
In	194	2,510-5	W	19	1,310-4
Hf	102	10-4	Mn	13	10-1
Au	99	4,310-7	Fe	3	4,65